(57)【要約】  従来の周波数算出装置は、チャープ信号の周期を変更するため、物標との距離及び相対速度を検出するのに時間がかかり、リアルタイム性が悪化するという課題があった。  本発明の周波数算出装置は、入力信号の高調波を発生させる高調波発生回路と、前記高調波発生回路が出力した信号のうち前記高調波を通過させるフィルタと、前記フィルタが出力した信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器が出力した前記デジタル信号の周波数を検出する周波数検出回路と、前記周波数検出回路が検出した前記高調波の周波数を用いて、前記入力信号の周波数を算出する周波数算出回路とを備える。
2018154747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の高調波を発生させる高調波発生回路と、
前記高調波発生回路が出力した信号のうち前記高調波を通過させるフィルタと、
前記フィルタが出力した信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力した前記デジタル信号の周波数を検出する周波数検出回路と、
前記周波数検出回路が検出した前記高調波の周波数を用いて、前記入力信号の周波数を算出する周波数算出回路と、
を備えることを特徴とする周波数算出装置。
【請求項２】
前記フィルタは、前記入力信号及び前記高調波を通過させ、
前記周波数算出回路は、前記周波数検出回路が検出した前記入力信号の周波数及び前記高調波の周波数を用いて前記入力信号の周波数を算出することを特徴とする請求項１に記載の周波数算出装置。
【請求項３】
前記周波数算出回路は、前記周波数検出回路が検出した複数の前記高調波の周波数の和を、複数の前記高調波の次数の和で除算することで、前記入力信号の周波数を算出することを特徴とする請求項１に記載の周波数算出装置。
【請求項４】
前記Ａ／Ｄ変換器に入力される前記高調波の周波数が、前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数よりも高く、
前記周波数検出回路は、前記Ａ／Ｄ変換器が出力した前記デジタル信号のうちアンダーサンプリングされた前記高調波の折り返しの周波数を検出し、
前記周波数算出回路は、前記周波数検出回路が検出した前記高調波の折り返しの周波数を用いて、前記入力信号の周波数を算出することを特徴とする請求項１の周波数算出装置。
【請求項５】
前記高調波発生回路に並列に配置され、前記入力信号を通過させる第２のフィルタと、
前記第２のフィルタが出力した信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換器と、
前記第２のＡ／Ｄ変換器が出力した前記デジタル信号の周波数を検出する第２の周波数検出回路とを備え、
前記周波数算出回路は、前記周波数検出回路が検出した前記入力信号の周波数と前記第２の周波数検出回路が検出した前記高調波の周波数とを用いて、前記入力信号の周波数を算出するとを特徴とする請求項１の周波数算出装置。
【請求項６】
前記周波数算出回路は、前記周波数検出回路が検出した前記入力信号の周波数と前記高調波の周波数との和を、前記入力信号の次数と前記高調波の次数との和で除算することで、前記入力信号の周波数を算出することを特徴とする請求項２に記載の周波数算出装置。
【請求項７】
発振信号を出力する発振器と、
前記発振器が出力した前記発振信号を送信信号として送信する送信アンテナと、
前記送信信号の反射電波を受信信号として受信する受信アンテナと、
前記送信信号と前記受信信号とを混合してビート信号を生成するミキサと、
前記ミキサが生成したビート信号の周波数を算出する請求項１の周波数算出装置と、
前記周波数算出装置が算出したビート信号の周波数から物標との距離及び相対速度を算出する距離・速度算出回路と、
を備えることを特徴とするレーダ装置。
【請求項８】
前記ミキサは、前記ビート信号及び前記ビート信号の高調波を発生させ、発生させた前記ビート信号及び前記ビート信号の高調波を前記周波数算出装置に出力し、
前記周波数算出装置から前記高調波発生回路を削除したことを特徴とする請求項７に記載のレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数算出装置及びこれを用いたレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物標との距離及び相対速度を探知するためのレーダ装置としてＦＭＣＷレーダ装置がある。同レーダでは、送信信号として周波数を直線的に変調したチャープ信号用い、送信信号の周波数と受信信号の周波数との差分の周波数であるビート周波数を求め、物標との距離及び相対速度を算出する。【０００３】
特許文献１で開示されているＦＭＣＷレーダ装置は、はじめにチャープの周期を短くし、物標との相対速度による周波数シフトが小さい状態でビート周波数のスペクトルの分離及び抽出を行い、次にチャープの周期を長くして物標との相対速度による周波数シフトを顕著にした状態でビート周波数を精度良く検出する。【０００４】
なお、特許文献１で開示されているＦＭＣＷレーダ装置では、チャープの周期を変更するための構成として、変調信号周波数の切替え信号とこれにより制御される三角波信号発生器とをもつ。また、チャープの周期を変更した場合でも、物標の検知距離範囲は一定に保つために、信号波形間引き回路によって、サンプリング周波数も変更する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１３３７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１によれば、周期の短いチャープ信号を用いて複数のビート周波数を分離した後に、ビート周波数を精度良く検出するために、周期の長いチャープ信号を用いて各ビート周波数の検出をするため、物標との距離及び相対速度を１回検出するのにかかる時間も長くなり、データ取得率が悪化するという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の周波数算出装置は、入力信号の高調波を発生させる高調波発生回路と、前記高調波発生回路が出力した信号のうち前記高調波を通過させるフィルタと、前記フィルタが出力した信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器が出力した前記デジタル信号の周波数を検出する周波数検出回路と、前記周波数検出回路が検出した前記高調波の周波数を用いて、前記入力信号の周波数を算出する周波数算出回路とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、チャープ信号の周期を変更することなく、距離及び相対速度精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の一構成例を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る高調波発生回路６１の一構成例を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るフィルタ６２の特性の一例を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るフィルタ６２の特性の他の例を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るフィルタ６２の特性の他の例を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係るサンプリング後のビート信号のスペクトルの一例を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係るビート信号の高調波をアンダーサンプリングする場合のスペクトルの一例を示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係るＡ／Ｄ変換器６３が出力するデジタル信号のスペクトルの一例を示す説明図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係るビート周波数の算出結果である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の一構成例を示す構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態２に係る基本波用フィルタ６２ａの特性の一例を示す説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態２に係る高調波用フィルタ６２ｂの特性の一例を示す説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態２に係る高調波用フィルタ６２ｂの特性の他の例を示す説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態２に係る周波数検出回路６５ａに入力されるスペクトルの一例を示す説明図である。
【図１５】この発明の実施の形態２に係る周波数検出回路６５ｂに入力されるスペクトルの一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１.
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の一構成例を示す構成図である。本レーダ装置は、発振器１、方向性結合器２、送信アンテナ３、受信アンテナ４、ミキサ５、周波数算出装置６、及び距離・速度算出回路７を備える。
【００１１】
発振器１は、送信信号としてチャープ信号を生成し、生成したチャープ信号を方向性結合器２に出力する発振器である。例えば、発振器１には、Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ（ＶＣＯ）が用いられる。また、チャープ信号の生成方法としては、Ｄ／Ａ変換器からＶＣＯの制御端子に周期Ｔの三角波や鋸波を入力する方法がある。
【００１２】
方向性結合器２は、発振器１が出力する送信信号を分配し、送信アンテナ３とミキサ５とに出力する方向性結合器である。例えば、方向性結合器２は、結合線路型カプラ、ウィルキンソン型カプラなどが用いられる。
【００１３】
送信アンテナ３は、方向性結合器２が出力した送信信号を送信電波に変換して空間に放射するアンテナである。例えば、送信アンテナ３は、パッチアンテナ、ホーンアンテナなどが用いられる。
【００１４】
受信アンテナ４は、物標からの反射電波を受信し、受信信号に変換してミキサ５に出力するアンテナである。例えば、受信アンテナ４は、パッチアンテナ、ホーンアンテナなどが用いられる。
【００１５】
ミキサ５は、方向性結合器２より入力された送信信号と受信アンテナ４より入力された受信信号を混合し、ビート信号（混合波の基本波）を生成し、高調波発生回路６１に出力するミキサである。ここで、ビート信号とは、送信信号と受信信号との差周波である。例えば、ミキサ５には、ダイオードミキサ、ＦＥＴミキサなどが用いられる。
【００１６】
周波数算出装置６は、ミキサ５より入力されたビート信号の周波数を算出し、距離・速度算出回路７に出力する周波数算出装置である。周波数算出装置６は、高調波発生回路６１、フィルタ６２、Ａ／Ｄ変換器（Ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）６３、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）回路６４、周波数検出回路６５、及び周波数算出回路６６を備える。
【００１７】
高調波発生回路６１は、ミキサ５が出力したビート信号に対してその高調波を発生させ、ビート信号及びその高調波を含むアナログ信号をフィルタ６２に出力する高調波発生回路である。例えば、高調波発生回路６１には、ディスクリートのダイオード、反転増幅回路などが用いられる。
【００１８】
フィルタ６２は、高調波発生回路６１が出力したアナログ信号から、ビート信号とその高調波を含む複数の信号を通過させ、Ａ／Ｄ変換器６３に出力するフィルタである。例えば、フィルタ６２には、ディスクリートのフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタなどが用いられる。
【００１９】
Ａ／Ｄ変換器６３は、フィルタ６２が出力したアナログ信号をサンプリングしてデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をＦＦＴ回路６４に出力するＡ／Ｄ変換器である。例えば、Ａ／Ｄ変換器６３には、逐次比較型Ａ／Ｄ変換ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、パイプライン型Ａ／Ｄ変換ＩＣなどが用いられる。
【００２０】
ＦＦＴ回路６４は、Ａ／Ｄ変換器６３より入力されたデジタル信号にＦＦＴ（高速フーリエ変換）を施し、スペクトルを算出し、算出したスペクトルデータを周波数検出回路６５に出力するＦＦＴ回路である。例えば、ＦＦＴ回路６４には、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ-Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）が用いられる。また、ＦＦＴ回路６４は、ＦＰＧＡにおける演算回路を信号処理による演算に置換え、その演算を行うプログラムをメモリに保存し、ＣＰＵで実行しても良い。
【００２１】
周波数検出回路６５は、ＦＦＴ回路６４が出力したスペクトルデータからビート信号及びその高調波の周波数を検出し、その周波数の検出結果を周波数算出回路６６に出力する周波数検出回路である。例えば、周波数検出回路６５には、ＦＰＧＡが用いられる。また、周波数検出回路６５は、ＦＰＧＡにおける演算回路を信号処理による演算に置換え、その演算を行うプログラムをメモリに保存し、ＣＰＵで実行しても良い。
【００２２】
周波数算出回路６６は、周波数検出回路６５が出力した周波数の検出結果からビート周波数を算出し、算出したビート周波数を距離・速度算出回路７へ出力する周波数算出回路である。例えば、周波数算出回路６６は、ＦＰＧＡが用いられる。また、周波数算出回路６６は、ＦＰＧＡにおける演算回路を信号処理による演算に置換え、その演算を行うプログラムをメモリに保存し、ＣＰＵで実行しても良い。
【００２３】
距離・速度算出回路７は、入力されたビート周波数から物標との距離及び相対速度を算出する回路である。例えば、距離・速度算出回路７には、ＦＰＧＡが用いられる。また、距離・速度算出回路７は、ＦＰＧＡにおける演算回路を信号処理による演算に置換え、その演算を行うプログラムをメモリに保存し、ＣＰＵで実行しても良い。
【００２４】
次に、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の動作について説明する。
発振器１は、送信信号として下式に示す周波数ｆＴＸ（ｔ）のチャープ信号を生成する。
【００２５】
【数１】
2018154747.tif 000003
【００２６】
ここで、Ｂは変調帯域幅、Ｔはチャープの周期、ｆａは変調開始時の周波数を示す。
【００２７】
方向性結合器２は、発振器１が出力した送信信号を分配し、送信アンテナ３とミキサ５とに出力する。送信アンテナ３は、入力された送信信号を送信電波に変換して物標方向に放射する。受信アンテナ４は、物標からの反射電波を受信し、受信信号に変換してミキサ５に出力する。
【００２８】
受信信号の周波数は物標との距離ｘを用いて、下式のように表すことができる。
【００２９】
【数２】
2018154747.tif 000004
【００３０】
ここで、ｃは光速を示す。物標がレーダ装置に対して相対速度ｖを持つ場合、物標からの反射電波の周波数はドップラー効果により、下式に示すドップラーシフトｄｆｖを生じる。
【００３１】
【数３】
2018154747.tif 000005
【００３２】
ここで、ｆ０は送信信号の中心周波数を示す。
【００３３】
ミキサ５は、方向性結合器２が出力した送信信号と受信アンテナ４が出力した受信信号とを混合し、ビート信号を生成する。ビート信号の周波数ｆｂｅａｔは、距離ｘによる距離シフトｄｆｘと、物標との相対速度ｖによるドップラーシフトｄｆｖの和であるため、下式で表される。
【００３４】
【数４】
2018154747.tif 000006
【００３５】
距離シフトｄｆｘは、式（１）と式（２）との差周波数になるので、下式で表される。
【００３６】
【数５】
2018154747.tif 000007
【００３７】
周波数算出装置６は、ミキサ５が出力したビート信号及びその高調波の周波数を検出し、この検出結果を用いて、ビート周波数の算出を行う。
【００３８】
高調波発生回路６１は、ミキサ５が出力したビート信号の高調波を発生させる。
【００３９】
図２は、この発明の実施の形態１に係る高調波発生回路６１の一構成例を示す構成図である。入力端子は、インダクタ６１１に接続され、インダクタ出力端子は、出力端子とダイオード６１２のアノードとに接続され、ダイオード６１２のカソードは、グランドに接地される。なお、ここでは、ダイオードを用いた回路を示したが、ダイオードの代わりにトランジスタ、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用しても良い。また、ロジックＩＣを使用し、矩形波を生成し奇数次の高調波のみを発生させても良い。さらに、ミキサ５は、理想的にはビート信号のみを出力するが、実際にはビート信号の高調波を含んでいるので、高調波を積極的に取出すことで、高調波発生回路の代用することもできる。
【００４０】
フィルタ６２は、高調波発生回路６１が出力するビート信号、その高調波、及びスプリアスを含むアナログ信号から、ビート信号とその高調波を通過させ、他の信号を抑圧し、ビート信号とその高調波をＡ／Ｄ変換器６３に出力する。
【００４１】
図３は、この発明の実施の形態１に係るフィルタ６２の特性の一例を示す説明図である。図３に示すように、フィルタ６２は、ビート信号ｆｂｅａｔとそのｍ倍の高調波ｆｍを通過させ、ミキサ５が出力する不要波を遮断し、また、ナイキスト周波数（ｆｓ／２）以上の雑音を遮断する。ここで、ｆｓは、後述するＡ／Ｄ変換器６３のサンプリング周波数を示す。
【００４２】
図４は、この発明の実施の形態１に係るフィルタ６２の特性の他の例を示す説明図である。図４で示すように、フィルタ６２は、複数の通過帯域を持ち、任意の次数の高調波を取出す特性としてもよい。
【００４３】
図５は、この発明の実施の形態１に係るフィルタ６２の特性の他の例を示す説明図である。図５に示すように、フィルタ６２の通過帯域は、ナイキスト周波数以上に存在してもよい。
【００４４】
Ａ／Ｄ変換器６３は、入力されたアナログ信号をサンプリング周波数ｆｓでサンプリングし、アナログ信号をデジタル信号に変換する。一般的なＡ／Ｄ変換器では、サンプリング周波数は、サンプリングする信号の最大周波数の２倍以上に設定するが、実施の形態１では必ずしも２倍以上でなくともよく、その場合は後述の方法により、アンダーサンプリングされた折り返しの周波数を利用する。
【００４５】
図６は、この発明の実施の形態１に係るサンプリング後のビート信号のスペクトルの一例を示す説明図である。図６に示すように、ナイキスト周波数以上の周波数の高調波は、Ａ／Ｄ変換器６３によりアンダーサンプリングされ、デジタル領域では折り返し波として観測される。
【００４６】
ＦＦＴ回路６４は、入力されたデジタル信号にＦＦＴ処理を施し、ビート周波数及びその高調波のスペクトルを算出する。一般的に、ＦＦＴではサンプリング周波数及びサンプル数に応じた周波数分解能Δｆが得られる。
【００４７】
周波数検出回路６５は、まず、ビート周波数の検出を行い、次にこの結果を用いてビート信号の高調波の周波数を検出する。各周波数の検出方法としては、例えば、入力されたスペクトルから電力が最大となる周波数を求め、それをビート周波数の検出結果ｆｂｅａｔ＿ＤＥＴとする。
【００４８】
また、任意の閾値電力を設け、これを超える複数のピークのうち、周波数が最も低いものをｆｂｅａｔ＿ＤＥＴとしても良い。
【００４９】
ｍ倍の高調波の周波数を検出する方法の一例として、得られたｆｂｅａｔ＿ＤＥＴをｍ倍し、ｍｆｂｅａｔ＿ＤＥＴ±ＢＷｓｅａｒｃｈの範囲で電力のピークをもつ周波数をｍ倍の高調波の周波数の検出結果ｆｍ＿ＤＥＴとする方法がある。ここで、ＢＷｓｅａｒｃｈは、電力の検索範囲であり、少なくともΔｆ／２以上とする。
【００５０】
次に、アンダーサンプリングされた折り返しの周波数からｆｍ＿ＤＥＴを検出する方法について説明する。
【００５１】
図７は、この発明の実施の形態１に係るビート信号の高調波をアンダーサンプリングする場合のスペクトルの一例を示す説明図である。ｆｍは、Ａ／Ｄ変換器６３の入力においてビート信号のｍ倍の高調波の周波数を示し、ｆｍ’はＡ／Ｄ変換器６３でアンダーサンプリングされた折り返しの周波数を示す。ｆｍが第ｎナイキスト領域に存在する場合、両者の関係は下式の通りとなる。
【００５２】
【数６】
2018154747.tif 000008
【００５３】
【数７】
2018154747.tif 000009
【００５４】
ここで、式（６）はｎが偶数の場合、式（７）はｎが奇数の場合である。ｎは、ビート周波数の検出結果とサンプリング周波数を用いて、ｍｆｂｅａｔ＿ＤＥＴ／ｆｓの整数部から求める。
【００５５】
ｎが偶数の場合は、ｎｆｓ／２−ｍｆｂｅａｔ＿ＤＥＴ±ＢＷｓｅａｒｃｈの範囲で電力のピークをもつ周波数をｆｍ＿ＤＥＴとし、ｎが奇数の場合は、ｍｆｂｅａｔ＿ＤＥＴ−（ｎ−１）ｆｓ／２±ＢＷｓｅａｒｃｈの範囲で電力のピークをもつ周波数をｆｍ＿ＤＥＴとする。
【００５６】
ここでは、ビート周波数を検出する方法として、ＦＦＴとピーク検出を用いる方法について説明したが、離散フーリエ変換やヒルベルト変換回路を用いたデジタル信号処理等の方法で周波数を検出しても良い。
【００５７】
周波数算出回路６６は、入力された周波数の検出結果から、ビート周波数をより正確に算出する回路である。算出の方法としては、検出した複数の周波数の総和を複数の信号の次数の総和で除算することで、ビート周波数の算出結果ｆｂｅａｔ＿ＣＡＬＣを求める。
【００５８】
周波数算出回路６６における算出方法について説明する。
【００５９】
図８は、この発明の実施の形態１に係るＡ／Ｄ変換器６３が出力するデジタル信号のスペクトルの一例を示す説明図である。ビート周波数の真の値をｆｂｅａｔ＿ＩＤとし、ＦＦＴの分解能に起因する誤差をε１とすればｆｂｅａｔ＿ＤＥＴは、下式で示すことができる。
【００６０】
【数８】
2018154747.tif 000010
【００６１】
ここで、ε１とΔｆとの関係は、下式に示す通りであり、ε１の最大値はΔｆ／２となる。
【００６２】
【数９】
2018154747.tif 000011
【００６３】
同様に、ｍ倍の高調波の周波数の真の値をｆｍ＿ＩＤ、ＦＦＴの分解能に起因する誤差をεｍとすれば、ｆｍ＿ＤＥＴは、下式で示すことができる。
【００６４】
【数１０】
2018154747.tif 000012
【００６５】
ここで、εｍとΔｆとの関係は、下式に示す通りであり、εｍの最大値は、Δｆ／２である。
【００６６】
【数１１】
2018154747.tif 000013
【００６７】
ｆｍ＿ＤＥＴをｍで除算すれば、ビート周波数を算出することができ、ビート周波数の算出結果ｆｂｅａｔ＿ＣＡＬＣは、下式で示すことができる。
【００６８】
【数１２】
2018154747.tif 000014
【００６９】
ビート周波数の検出結果と、ビート周波数の算出結果とを比較すると、後者は、前者よりもＦＦＴの分解能に起因する誤差の最大値はｍ分の１となり、精度がｍ倍改善する。
【００７０】
複数の高調波を用いる場合は、検出した周波数の総和を次数の総和で除算すればビート周波数を算出することができる。ビート信号とその２〜ｍ倍の高調波の周波数を用いる場合、ビート周波数の算出結果ｆｂｅａｔ＿ＣＡＬＣは、下式で示すことができる。式１３の第２項を見ると分かるように、ビート信号のみで周波数を算出した場合に比べて、精度を改善できることが分かる。
【００７１】
【数１３】
2018154747.tif 000015
【００７２】
ここでは、ビート信号及びその２〜ｍ倍の高調波の周波数の検出結果からビート周波数を算出したが、このうちの任意の複数信号（ｋ１倍波，ｋ２倍波，・・・，ｋｎ倍波）を使用しても良く、その場合、ビート周波数の算出結果ｆｂｅａｔ＿ＣＡＬＣは、下式で示すことができる。
【００７３】
【数１４】
2018154747.tif 000016
【００７４】
図９は、この発明の実施の形態１に係るビート周波数の算出結果である。縦軸は、ビート周波数の真値とビート周波数の算出結果との周波数誤差を示し、横軸は、算出に用いた高調波の次数を示す。ビート周波数の検出結果と、ビート周波数の算出結果（ビート信号のｍ倍の高調波を使用した場合）、及びビート周波数の算出結果（ビート信号とその２〜ｍ倍の高調波を使用した場合）がプロットされている。ここで、ビート周波数を１００．２ｋＨｚ、サンプリング周波数を1ＭＨｚ、チャープの周期を２ｍｓｅｃとした。ビート周波数の検出結果の誤差がε１＝２００Ｈｚであるのに対して、ビート周波数の算出結果（ビート信号のｍ倍の高調波を使用した場合）は、高調波の次数ｍが上がるにつれ誤差が収束していく。また、ビート周波数の算出結果（ビート信号とその２〜ｍ倍の高調波とを使用した場合）は、ビート信号のｍ倍の高調波を使用した場合に比べて、より低い次数で収束することがわかる。ビート信号のｍ倍波のみを使用した場合は、式（１２）に示す通り、誤差はｍ分の１となるが、ビート周波数と２〜ｍ倍の高調波とを使用した場合は式（１４）に示す通りΣｋ分の１となるため、より精度が向上する。
【００７５】
さらに、ビート周波数と２〜ｍ倍の高調波と式（１４）とを使用した場合は、ビート信号の１〜ｍ倍波の検出結果を平均化した場合よりも高精度となる。ビート信号の１〜ｍ倍波の検出結果を平均化した場合の誤差を式（１５）に、ビート周波数と２〜ｍ倍の高調波と式（１４）とを使用した場合の誤差を式（１６）に示す。
【００７６】
【数１５】
2018154747.tif 000017
【００７７】
【数１６】
2018154747.tif 000018
【００７８】
ここで、εk  （ｋ＝１，２，・・・，ｍ）＝εとすると、式（１５）は式（１７）となり、式（１６）は式（１８）となる。
【００７９】
【数１７】
2018154747.tif 000019
【００８０】
【数１８】
2018154747.tif 000020
【００８１】
このように、ｍが２以上の場合において、式（１７）に示す誤差よりも、式（１８）に示す誤差は小さくなる。したがって、ビート周波数と２〜ｍ倍の高調波と式（１４）とを使用した場合は、ビート信号の１〜ｍ倍波の検出結果を平均化した場合よりも高精度となる。
【００８２】
式（１２）（１４）に示す通り、検出に用いるビート信号の高調波の次数ｍが高いほど誤差を小さくすることができる。高い周波数を検出する場合は、Ａ／Ｄ変換器６３のサンプリング周波数を上げたうえでオーバーサンプリングする方法と、サンプリング周波数を上げずにアンダーサンプリングする方法とがある。一般的にオーバーサンプリングを行う場合は、Ａ／Ｄ変換器６３の入力にカットオフ周波数がｆＳ／２のローパスフィルタ（アンチエイリアシングフィルタ）を挿入し、入力される雑音の帯域を制限する。一方アンダーサンプリングの場合は、Ａ／Ｄ変換器６３にサンプリング周波数以上の帯域の信号が入力されるため、アンチエイリアシングフィルタに替えて、所望のｍ倍波を含むバンドパスフィルタを用いればよく、通過帯域幅の下限周波数を（ｎ−１）ｆＳ／２、上限周波数をｎｆＳ／２とすれば、オーバーサンプリングと同様に雑音の帯域を制限することができる。
【００８３】
距離・速度算出回路７は、入力されたビート周波数より式（３）〜（５）を用いることで物標との距離及び相対速度を算出する。
【００８４】
以上で明らかなように、この発明の実施の形態１のレーダ装置によれば、高調波発生回路より出力されるビート信号及びその高調波を含む複数の信号をフィルタで取出し、周波数算出回路により演算を行うことで、周波数を精度良く算出でき、チャープの周期を変更せずに、物標との距離及び相対速度を精度よく算出することができる。
【００８５】
なお、実施の形態１のレーダ装置は、物標との距離が近いほど距離及び相対速度の精度に対する改善効果は大きくなる。これは、物標との距離が近いほど、ビート周波数は低くなるため、フィルタで取出すことのできる高調波の次数が大きくなり、次数の大きい高調波を使うことができるためである。その結果、距離及び相対速度の精度を改善できる。
【００８６】
実施の形態２.
実施の形態１では、ビート周波数の検出とその高調波の周波数の検出とを同一の回路で行っていたが、実施の形態２では、これを分離した構成を示す。
【００８７】
図１０は、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の一構成例を示す構成図である。図１０において図１と同一符号は、同一または相当部分を示すので説明を省略する。
【００８８】
周波数算出装置６ａは、ミキサ５より入力されたビート信号の周波数を算出し、距離・速度算出回路７に出力する周波数算出装置である。周波数算出装置６ａは、高調波発生回路６１、基本波用フィルタ６２ａ、高調波用フィルタ６２ｂ、Ａ／Ｄ変換器６３ａ、Ａ／Ｄ変換器６３ｂ、ＦＦＴ回路６４ａ、ＦＦＴ回路６４ｂ、周波数検出回路６５ａ、周波数検出回路６５ｂ、及び周波数算出回路６６を備える。
【００８９】
基本波用フィルタ６２ａは、ミキサ５が出力したビート信号を取出し、Ａ／Ｄ変換器６３ａに出力するフィルタである。例えば、基本波用フィルタ６２ａには、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタなどが用いられる。
【００９０】
高調波用フィルタ６２ｂは、高調波発生回路６１が出力したアナログ信号からビート信号の高調波を取出し、Ａ／Ｄ変換器６３ｂに出力する高調波用フィルタ６２ｂである。例えば、高調波用フィルタ６２ｂには、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタなどが用いられる。
【００９１】
Ａ／Ｄ変換器６３ａは、基本波用フィルタ６２ａから入力されるアナログ信号をサンプリングし、デジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をＦＦＴ回路６４ａに出力するＡ／Ｄ変換器である。例えば、Ａ／Ｄ変換器６３ａには、逐次比較型Ａ／Ｄ変換ＩＣ、パイプライン型Ａ／Ｄ変換ＩＣなどが用いられる。
【００９２】
Ａ／Ｄ変換器６３ｂは、高調波用フィルタ６２ｂが出力したアナログ信号をサンプリングし、デジタル信号に変換し、得られたデジタル信号をＦＦＴ回路６４ｂに出力するＡ／Ｄ変換器である。例えば、Ａ／Ｄ変換器６３ｂには、逐次比較型Ａ／Ｄ変換ＩＣ、パイプライン型Ａ／Ｄ変換ＩＣが用いられる。
【００９３】
ＦＦＴ回路６４ａは、Ａ／Ｄ変換器６３ａが出力したデジタル信号にＦＦＴを施し、スペクトルを算出し、算出したスペクトルデータを周波数検出回路６５ａに出力する回路である。例えば、ＦＦＴ回路６４ａには、ＦＰＧＡが用いられる。また、ＦＦＴ回路６４ａは、ＦＰＧＡにおける演算回路を信号処理による演算に置換え、その演算を行うプログラムをメモリに保存し、ＣＰＵで実行しても良い。
【００９４】
ＦＦＴ回路６４ｂは、Ａ／Ｄ変換器６３ｂより入力されたデジタル信号にＦＦＴを施し、スペクトルを算出し。算出したスペクトルデータを周波数検出回路６５ｂに出力する回路である。例えば、ＦＦＴ回路６４ｂには、ＦＰＧＡが用いられる。また、ＦＦＴ回路６４ｂは、ＦＰＧＡにおける演算回路を信号処理による演算に置換え、その演算を行うプログラムをメモリに保存し、ＣＰＵで実行しても良い。
【００９５】
周波数検出回路６５ａは、ＦＦＴ回路６４ａより入力されたスペクトルデータよりビート周波数の検出を行い、周波数の検出結果を周波数算出回路６６に出力する回路である。例えば、周波数検出回路６５ａには、ＦＰＧＡが用いられる。また、周波数検出回路６５ａは、ＦＰＧＡにおける演算回路を信号処理による演算に置換え、その演算を行うプログラムをメモリに保存し、ＣＰＵで実行しても良い。
【００９６】
周波数検出回路６５ｂは、ＦＦＴ回路６４ｂより入力されたスペクトルデータよりビート信号の高調波の周波数を検出し、周波数の検出結果を周波数算出回路６６に出力する回路である。周波数検出回路６５ｂには、ＦＰＧＡが用いられる。また、周波数検出回路６５ｂは、ＦＰＧＡにおける演算回路を信号処理による演算に置換え、その演算を行うプログラムをメモリに保存し、ＣＰＵで実行しても良い。
【００９７】
次に、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の動作について説明する。
発振器１は、送信信号として式（１）に示す周波数ｆＴＸ（ｔ）のチャープ信号を生成する。方向性結合器２は、発振器１が出力した送信信号の電力を分配、送信アンテナ３とミキサ５とに出力する。送信アンテナ３は、方向性結合器２が出力した送信信号を送信電波に変換して物標方向に放射する。受信アンテナ４は、物標からの反射電波を受信し、受信信号に変換して、ミキサ５に出力する。ミキサ５は、送信信号と受信信号とを混合しビート信号を生成し、ビート信号を含むアナログ信号を基本波用フィルタ６２ａに出力する。
【００９８】
基本波用フィルタ６２ａは、ミキサ５が出力したアナログ信号からビート信号を取出す。
【００９９】
図１１は、この発明の実施の形態２に係る基本波用フィルタ６２ａの特性の一例を示す説明図である。図１１に示すように、基本波用フィルタ６２ａは、ビート信号を通過させ、ミキサ５から出力される不要波を遮断し、またナイキスト周波数（ｆｓ／２）以上の雑音を遮断するローパスフィルタである。
【０１００】
Ａ／Ｄ変換器６３ａは、入力されたアナログ信号をサンプリング周波数ｆｓでサンプリングし、デジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をＦＦＴ回路６４ａに出力する。
【０１０１】
Ａ／Ｄ変換器６３ｂは、入力されたアナログ信号をサンプリング周波数ｆｓでサンプリングし、デジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をＦＦＴ回路６４ｂに出力する。
【０１０２】
ＦＦＴ回路６４ａは、Ａ／Ｄ変換器６３ａが出力したデジタル信号にＦＦＴ処理を施し、スペクトルを算出し、算出したスペクトルデータを周波数検出回路６５ａに出力する。
【０１０３】
周波数検出回路６５ａは、実施の形態１と同様の方法でビート信号の周波数の検出を行う。
【０１０４】
高調波発生回路６１は、ミキサ５が出力したビート信号の高調波を発生させ、ビート信号及びその高調波を高調波用フィルタ６２ｂに出力する。高調波用フィルタ６２ｂは、高調波発生回路６１が出力したアナログ信号から、ビート信号の高調波を取出す。
【０１０５】
図１２は、この発明の実施の形態２に係る高調波用フィルタ６２ｂの特性の一例を示す説明図である。図１２に示すように、高調波用フィルタ６２ｂは、ビート信号のｍ倍までの高調波を通過させるローパスフィルタである。
【０１０６】
より高い次数の高調波を取出す場合は実施の形態１と同様に、カットオフ周波数をナイキスト周波数より高くし、アンダーサンプリングを用いても良い。また、アンダーサンプリングを用いる場合は、高調波用フィルタ６２ｂとして、バンドパスフィルタを用いても良い。
【０１０７】
図１３は、この発明の実施の形態２に係る高調波用フィルタ６２ｂの特性の他の例を示す説明図である。図１３（Ａ）は、高調波用フィルタ６２ｂとしてローパスフィルタを用いた場合のＡ／Ｄ変換器６３ｂの入力信号である。例として、ｆｍが第二ナイキスト領域にある場合を考えると、Ａ／Ｄ変換器６３ｂでサンプリングされた信号は、図１３（Ｂ）に示す通り、ｆｓ／２で折返し波を発生し、各高調波同士が重なるため、誤検出の原因となる。この場合は、図１３（Ｃ）に示すとおり高調波用フィルタ６２ｂとしてバンドパスフィルタを用いて第一ナイキスト領域の信号を遮断すればよく、Ａ／Ｄ変換器６３ｂでサンプリングされた信号は、図１３（Ｄ）に示す通り、折返し波の重なりを避けることができる。なお、高調波用フィルタ６２ｂはチューナブルフィルタもしくは、複数の切替え式フィルタを用い、検出したいビート周波数に合わせて通過帯域を変更できるようにしてもよい。
【０１０８】
Ａ／Ｄ変換器６３ｂは、入力されたアナログ信号をサンプリング周波数ｆｓでサンプリングし、デジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をＦＦＴ回路６４ｂに出力する。
【０１０９】
ＦＦＴ回路６４ｂは、Ａ／Ｄ変換器６３ｂが出力したデジタル信号にＦＦＴ処理を施し、スペクトルを算出し、算出したスペクトルデータを周波数検出回路６５ｂに出力する。
【０１１０】
周波数検出回路６５ｂは、実施の形態１と同様の方法でビート信号の高調波の周波数の検出を行う。
【０１１１】
周波数算出回路６６は、周波数検出回路６５ａ及び６５ｂが出力した周波数の検出結果から、式（１３）によりビート周波数を算出する。
【０１１２】
距離・速度算出回路７は、入力されたビート周波数より式（３）〜（５）を用いることで物標との距離及び相対速度を算出する。
【０１１３】
次に、物標が複数個ある場合の本レーダ装置の動作について説明する。例として、物標１と物標２の検出を行う場合を考える。
【０１１４】
図１４は、この発明の実施の形態２に係る周波数検出回路６５ａに入力されるスペクトルの一例を示す説明図である。周波数検出回路６５ａでは、各ビート信号の高調波を発生させずに扱うため、物標１に対応するビート周波数ｆｂｅａｔ１と物標２に対応するビート周波数ｆｂｅａｔ２とを分離して検出することができる。
【０１１５】
図１５は、この発明の実施の形態２に係る周波数検出回路６５ｂに入力されるスペクトルの一例を示す説明図である。周波数検出回路６５ｂでは、各ビート信号の高調波が入力されるため、例えば、物標１に対応するビート周波数の２倍波２ｆｂｅａｔ１と物標２に対応するビート周波数ｆｂｅａｔ２とが隣接する場合は、両者の分離が難しく誤検出しやすい。誤検出を避けるためには、周波数検出回路６５ａで求めたｆｂｅａｔ１及びｆｂｅａｔ２から各高調波の周波数を予め計算し、両者が隣接する組合せを無視し、残りの周波数の検出結果を使用すれば良い。また、高調波だけでなく、混合波や折返し波の周波数についても、同様に扱うことができる。
【０１１６】
以上で明らかなように、この発明の実施の形態２のレーダ装置によれば、基本波用フィルタで取り出したビート信号と、高調波用フィルタで取り出したビート信号の高調波とを周波数算出回路で演算することで、従来よりもビート周波数を精度良く算出することができるため、距離及び速度についても精度良く算出することができる。
【０１１７】
さらに、本実施の形態は、複数の物標を探知する場合でも、距離及び速度を精度良く算出できる。複数の物標を探知する場合、ミキサ５から複数のビート周波数が出力されるため、これが高調波発生回路６１に入力されると、高調波発生回路６１は、高調波以外の混合波を発生させるので、ピークの検出が複雑になる。本実施の形態では、ビート周波数の検出経路が高調波発生回路６１から分離されているため、混合波の影響を受けることなく、ビート周波数を検出することができ、ビート周波数及びその高調波の検出結果を用いてビート周波数を算出するので、複数の物標に対して精度良く探知することができる。
【符号の説明】
【０１１８】
１  発振器、２  方向性結合器、３  送信アンテナ、４  受信アンテナ、５  ミキサ、６  ６ａ  周波数算出装置、６１  高調波発生回路、６２  ６２ａ  ６２ｂ  フィルタ、６３  ６３ａ  ６３ｂ  Ａ／Ｄ変換器、６４  ６４ａ  ６４ｂ  ＦＦＴ回路、６５  ６５ａ  ６５ｂ  周波数検出回路、６６  周波数算出回路、７  距離・速度算出回路。
【図１】
2018154747.tif 000021
【図２】
2018154747.tif 000022
【図３】
2018154747.tif 000023
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018154747.tif 000027
【図８】
2018154747.tif 000028
【図９】
2018154747.tif 000029
【図１０】
2018154747.tif 000030
【図１１】
2018154747.tif 000031
【図１２】
2018154747.tif 000032
【図１３】
2018154747.tif 000033
【図１４】
2018154747.tif 000034
【図１５】
2018154747.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成29年7月14日(2017.7.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の周波数算出装置は、入力信号の高調波を発生させる高調波発生回路と、高調波発生回路が出力した信号のうち高調波を通過させるフィルタと、フィルタが出力した信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器が出力したデジタル信号の周波数を検出する周波数検出回路と、周波数検出回路が検出した高調波の周波数を用いて、入力信号の周波数を算出する周波数算出回路とを備え、周波数算出回路は、周波数検出回路が検出した複数の高調波の周波数の和を、複数の高調波の次数の和で除算することで、入力信号の周波数を算出することを特徴とする。
また、本発明の周波数算出装置は、入力信号の高調波を発生させる高調波発生回路と、高調波発生回路が出力した信号のうち高調波を通過させるフィルタと、フィルタが出力した信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器が出力したデジタル信号の周波数を検出する周波数検出回路と、周波数検出回路が検出した高調波の周波数を用いて、入力信号の周波数を算出する周波数算出回路とを備え、フィルタは、入力信号及び高調波を通過させ、周波数算出回路は、周波数検出回路が検出した入力信号の周波数及び高調波の周波数を用いて入力信号の周波数を算出し、周波数算出回路は、周波数検出回路が検出した入力信号の周波数と高調波の周波数との和を、入力信号の次数と高調波の次数との和で除算することで、入力信号の周波数を算出することを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号の高調波を発生させる高調波発生回路と、
前記高調波発生回路が出力した信号のうち前記高調波を通過させるフィルタと、
前記フィルタが出力した信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力した前記デジタル信号の周波数を検出する周波数検出回路と、
前記周波数検出回路が検出した前記高調波の周波数を用いて、前記入力信号の周波数を算出する周波数算出回路と、
を備え、
前記周波数算出回路は、前記周波数検出回路が検出した複数の前記高調波の周波数の和を、複数の前記高調波の次数の和で除算することで、前記入力信号の周波数を算出することを特徴とする周波数算出装置。
【請求項２】
入力信号の高調波を発生させる高調波発生回路と、
前記高調波発生回路が出力した信号のうち前記高調波を通過させるフィルタと、
前記フィルタが出力した信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力した前記デジタル信号の周波数を検出する周波数検出回路と、
前記周波数検出回路が検出した前記高調波の周波数を用いて、前記入力信号の周波数を算出する周波数算出回路と、
を備え、
前記フィルタは、前記入力信号及び前記高調波を通過させ、前記周波数算出回路は、前記周波数検出回路が検出した前記入力信号の周波数及び前記高調波の周波数を用いて前記入力信号の周波数を算出し、
前記周波数算出回路は、前記周波数検出回路が検出した前記入力信号の周波数と前記高調波の周波数との和を、前記入力信号の次数と前記高調波の次数との和で除算することで、前記入力信号の周波数を算出することを特徴とする周波数算出装置。
【国際調査報告】
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2018154747.tif 000037
2018154747.tif 000038
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